Question

風光互補發(fā)電系統是一將太陽能和風能轉化為電能的裝置．該系統無空氣污染、無噪音、不產生廢棄物．因此風光互補發(fā)電系統是一種自然、清潔的能源．該系統已經在路燈，野外作業(yè)的漁船，山區(qū)牧民家等大規(guī)模的普及．
Ⅰ．某漁船上安裝了“風光互補發(fā)電”裝置，利用太陽能電池板和風力發(fā)電機發(fā)電，以節(jié)省燃油，此裝置由風力發(fā)電機、太陽能電池板、充電器、蓄電池等組成．

（1）該裝置的總質量為40kg，與漁船的總接觸面積為0.32m²，對漁船的壓強多大 （g取10N/kg）？
（2）“風光互補發(fā)電”裝置的發(fā)電功率為500W，正常工作1小時可產生多少電能？
（3）如圖是不同發(fā)電方式的CO₂排放量，若在1000艘漁船上安裝這套“風光互補發(fā)電”裝置，則與燃油發(fā)電相比，正常發(fā)電8h至少減少CO₂排放多少kg？
Ⅱ．如圖是某公司開發(fā)生產了“風光互補路燈”，該路燈只需要曬曬太陽吹吹風就能工作，它在有陽光時通過太陽能電池板發(fā)電，有風時通過風力發(fā)電機發(fā)電，二者皆備時同時發(fā)電，并將電能輸至蓄電池儲存起來，供路燈照明使用．為了能使蓄電池的使用壽命更為長久，一般充電至90%左右即停止，放電余留20%左右即停止電能輸出．
下表為某型號風光互補路燈系統配置方案．問：

風力發(fā)電機		太陽能電池組件
最小啟動風速	1.0m/s	太陽能電池	36W
最小充電風速	2.0m/s	太陽能轉換效率	15%
最大限制風速	12.0m/s	蓄電池	500Ah-12V
最大輸出功率	400W	大功率LED路燈	80W-12V

（1）當風速為6.0m/s時，風力發(fā)電機的輸出功率將變?yōu)?0W，在這種情況下，將蓄電池的電量由20%充至90%需多長時間？
（2）如果當地垂直于太陽光的平面得到的太陽輻射最大強度約為240W/m²，要想太陽能電池的最大功率達到36W，太陽能電池板的面積至少要多大？

Answer 1

分析：Ⅰ．（1）該裝置對漁船的壓力和自身的重力相等，根據G=mg求出其大小，再根據壓強公式求出對漁船的壓強；
（2）根據W=Pt求出正常工作1小時可產生的電能；
（3）先求出1000艘漁船正常發(fā)電8h發(fā)的電，由圖可知每kW?h少排放的CO₂，然后乘以8h發(fā)的電即為減少排放的CO₂；
Ⅱ．（1）根據題意求出蓄電池釋放的電能，利用t=

W

P

計算時間；
（2）已知太陽能的轉換效率和太陽輻射最大強度及需要達到的最大功率，利用效率公式計算得出面積．

解答：解：Ⅰ．（1）該裝置對漁船的壓力：
F=G=mg=40kg×10N/kg=400N，
對漁船的壓強：
p=

F

S

=

400N

0.32m2

=1250Pa；
（2）正常工作1小時可產生電能：
W=Pt=500×10^-3kW×1h=0.5kW?h；
（3）1000艘漁船，正常發(fā)電8h發(fā)的電：
W_總=1000×500×10^-3kW×8h=4000kW?h，
減少排放的CO₂：
m′=W_總×（0.42kg/kW?h-0.03kg/kW?h）=4000kW?h×0.39kg/kW?h=1560kg；
Ⅱ．（1）蓄電池釋放的電能：
W″=12V×500A?h×（90%-20%）=12V×500A×3600s×（90%-20%）=1.512×10⁷J；
需要的時間：
t=

W″

P

=

1.512×107J

50W

=302400s=84h；
（2）電池板面積：
S=′

P電

ηP輻

=

36W

240W/m2×15%

=1m²．
答：Ⅰ．（1）對漁船的壓強為1250Pa；
（2）正常工作1小時可產生0.5kW?h的電能；
（3）正常發(fā)電8h至少減少CO₂排放1560kg；
Ⅱ．（1）將蓄電池的電量由20%充至90%需84h；
（2）太陽能電池板的面積至少要1m²．

點評：本題為電學、力學的綜合題，綜合考查了學生對所學知識的應用能力，要求靈活運用所學知識，屬于難題！